Elektroakustički
pretvarači
Mikrofoni
Zvučnici
Slušalice
Pretvarači
Pretvaraju jedan vid energije u drugi
mehaničko-akustički
membrane, žice, štapovi
vibriraju i zrače (primaju) akustičku energiju
elektromehanički
zvučnice, vibratori, hidrofoni, ultrazvučni projektori
elektroakustički (posredstvom membrane)
mikrofoni, zvučnici i slušalice
Svi su analogni pretvarači
talasni oblik signala ostaje sačuvan
Namena elektro-akustičkih
pretvarača
Razvoj uz radio, zvučni film i muzičku industriju
Alexander Graham Bell (1847-1922)
prvi analogni telefon – patent iz 1876. godine
grafitni mikrofon i elektromagnetni zvučnik
Incidentni talas
D1
K1
C
K2
i
E
D2
Pobudjeni talas sa D2
U
Mikrofon Zvucnik
Mikrofoni
Podela mikrofona
Mikrofon kao pretvarač
Kovanica od dve grčke reči mikros (mali) + phone (zvuk)
microphone (na engleskom)
Pretvara energiju akustičku u električnu u 2 faze: prvo akustičku u mehaničku,
a zatim mehaničku u električnu.
U zvučnom polju koje ih okružuje reaguju na: promene zvučnog pritiska ili
promene brzine čestica
Svaki mikrofon ima
mehanički oscilatorni
sistem sa pokretnom
membranom na koju
deluju zvučni talasi
Membrana je vezana
elastično tako da se u
odsustvu spoljnje sile
vraća u svoj početni
položaj
Savremeni mikrofoni su
usavršeni do te mere da
imaju vernost reprodukcije
koja se može meriti sa
originalom
Istorija mikrofona – XIX vek
1854. tzv. »kontaktni« mikrofon
prvi pokušaji realizacije mikrofona
1861. Rajs (Reis)
demonstrirao primenu prvog kontaktnog mikrofona
1876. Bel (Bell)
prvi upotrebljiv mikrofon, u okviru telefonskog aparata
4. marta 1877. Emile Berliner
prvi (?) mikrofon
1890. ugljeni mikrofon
uveden je u primenu ugljeni mikrofon
Emile Berliner
Alexander G. Bell
Istorija mikrofona – XX vek
1917. pojavio se elektrostatički mikrofon
(Wente)
1924. se pojavio elektrodinamički
mikrofon sa trakom, a zatim
elektrodinamički mikrofona sa kalemom
1931. uvodi se u proizvodnju kristalni
mikrofon
196x. pojavljuje se elektret mikrofon
Edward C. Wente
Box Browie – ruski kondezatrski
mikrofon korišten 1935 – 42. Grem MekNemi, slavni radio
komentator koji je koristio
Box Browie
Primena mikrofona
Telefoni (fiksni, mobilni, VoIP)
Diktafoni (za govor)
Snimači zvuka: na magnetne trake, kasete
Studija: radio i televizijski, govorni i muzički
Ozvučenje – koncerti, razglas
Merni mikrofoni (npr. fonometri)
Mikrofonski nizovi
Uređaji koji primaju govorne komande
roboti, igračke, aparati u domaćinstvu, industriji, kolima
Računari koji razgovaraju sa ljudima
Podele mikrofona
Po nameni: merenje, snimanje, ozvučavanje...
Po karakteristici usmerenosti (akustička podela)
zavisi od načina pretvaranja akustičke u mehaničku en.
neusmereni, usmereni (razne k-ke)
Po konstrukciji (električna podela)
zavisi od načina pretvaranja mehaničke u električnu en.
ugljeni, elektromagnetni, piezoelektrični
elektrodinamički, kondenzatorski
Kondenzatorski mikrofoni
Kvalitetniji, ali skuplji od dinamičkih
Koriste audio miksere sa «fantomskim napajanjem»
Interesantni su za radio stanice i studija
(profesionalni)
informativne emisije
autorski programi sa više ušesnika
emisije sa «živom» muzikom iz studija
primene u radio drami
laboratorijska merenja
Elektrodinamički
mikrofoni
Koriste jednostavnije audio miksere koji nemaju «fantomsko napajanje»
Dobro rešenje za manje radio stanice
kraće informativne emisije
muzički DJ programi
kontakt programi sa slušaocima i
povremeno autorske programe sa više ušesnika
Studijski i broadcast dinamički mikrofoni
približavaju se kondenzatorskim po karakteristikama i ceni
Mikrofoni
Akustička podela i
karakteristika usmerenosti
Akustička podela
mikrofona
Presioni - kružna
(neusmereni - omnidirekcioni)
Gradijentni - dvokružna
(dvosmerni - bidirekcioni)
Kombinovani - kardioide
(usmereni - jednosmerni)
Isti mikrofon može da ima
više k-ka usmerenosti
preklopnik koji otvara kućište
na određen način
Kružna karakteristika
usmerensoti
Dvokružna karakteristika
usmerenosti
Kardioidna karakteristika
usmerensoti
Vrste
kardioida
Hiperkardioida
Superkardioida
Veoma usmereni mikrofoni
“Tref” (detelina) karakteristika usmerensoti
Poređenje usmerenih
karakteristika sa kardioidom
Tref (detelina)
Superkardioida
Presioni, gradijentni i
kombinovani mikrofoni
Presioni
Brzina ili pomeraj
membrane
srazmerni pritisku
u zvučnom polju
rade na pritisak
Gradijentni
Brzina ili pomeraj
membrane srazmerni
gradijentu pritiska
u zvučnom polju
rade na razliku pritisaka
Kombinovani
Na kretanje
membrane utiču,
kombinovano,
i pritisak
i gradijent pritiska
Presioni mikrofon
(neusmereni)
Zvučni pritisak deluje na membranu
deluje samo na jednu stranu membrane
druga strana membrane je zaštićena kutijom
Sila koja deluje na membranu:
F = pS
S - površina membrane
Presioni mikrofoni su neusmereni
reaguju na pritisak koji je skalarna veličina
izvesna usmerenost na višim frekvencijama
membrana je u zvučnoj senci kućišta
kućište
membrana
p+p0 p0
Gradijentni mikrofon
(dvosmerni, brzinski)
Zvučni pritisak deluje s obe strane
kućište otvoreno s obe strane
ili realizacija sa dve membrane
Sila je srazmerna razlici (gradijentu) pritiska F = (p1 - p2) S
fazna razlika zbog kašnjenja i putne razlike
Karakteristika usmerenosti
dvokružna (osmičasta)
kućište
me
mb
ran
a
p1+p0 p2+p0
cosTpE
Efekat blizine
(kod gradijentnog mikrofona)
Frekvencijska karakteristika je ravna samo u
polju ravnih talasa
što je bliže izvoru zvuka to su više izdignute niske
frekvencije u frekvencijskoj karakteristici
Kombinovani mikrofon
Karakteristika usmerenosti je kardioida
zbir signala presionog i gradijentnog mikrofona
uski otvori slabe p2
Osetljivost sa zadnje strane je nula
naziva se i jednosmerni mikrofon
2
cos12
)cos1(
Tp
TpEkućište
me
mb
ran
a
p1 p2p2'
Mikrofoni
Elektro-akustičke
karakteristike
Karakteristike mikrofona
(elektro-akustičke)
1. Faktor pretvaranja - osetljivost (Sensitivity)
2. Frekvencijski opseg (Frequency Range)
3. Karakteristika usmerenosti (Polar Pattern)
4. Izobličenja
5. Dinamički opseg (max SPL i S/N ratio)
6. Impedansa
7. Stepen iskorišćenja
1. Osetljivost mikrofona
(faktor pretvaranja)
Pokazuje koliko je mikrofon dobar pretvarač (akustičke energije u električnu)
E – elektromotorna sila (napon)
na otvorenim krajevima mikrofona (neopterećen mikrofon)
p – zvučni pritisak
u slobodnom zvučnom polju, u smeru ose mikrofona (polje ravnih talasa)
izražava se u V / Pa
češće mV / Pa (iz praktičnih razloga)
p
EST pE ,
Merenje osetljivosti
U slobodnom zvučnom polju
npr. u gluvoj sobi
U polju ravnih talasa
kvalitetan zvučnik sa udaljenosti 1m emituje zvučni pritisak p na 1kHz
Meri se elektromotorna sila (napon)
na otvorenim krajevima mikrofona (neopterećen mikrofon)
Osetljivost i indeks pretvaranja
Nivo signala na izlazu iz mikrofona (e.m.s.)
pri odgovarajućem zvučnom pritisku ispred membrane (1m, 1kHz)
Napon na otvorenim krajevima referentnog mikrofona je 1 V a zvučni pritisak 94 dB (1 Pa)
referentna osetljivost 1V / 1Pa u praksi nedostižna
vrednost u dB pokazuje koliko treba pojačanje do 1V
00
, log20][ Ind.pE
pESdBT vpE
Tipične vrednosti indeksa pretva-
ranja raznih tipova mikrofona
Elektro-dinamički mikrofon sa trakom
Sv = − 60 dB (Beyer M160)
Elektro-dinamički mikrofon sa kalemom
Sv = − 54 dB (Shure SM57)
Kondnzatorski mikrofon
Sv = − 38 dB (Neumann U87)
Ako je osetljivost konkretnog mikrofona 2 mV/Pa indeks pretvaranja
Sv = 20log(2x10-3) dB
=(6-60) dB = -54 dB
Trebalo bi uvek dodati: „U odnosu na 1V/Pa“ Često se sreće izraz
-54 dBV, jer se pritisak od 1Pa podrazumeva
2. Frekvencijski opseg
Prikazuje nivo osetljivosti po frekvencijama referenca (0 dB) je osetljivost na 1 kHz
odstupanja pokazuju kolebanje osetljivosti na f-osi
Uslovljava kvalitet (ujednačenost) reprodukcije glasa ili instrumenata što ravnija sa minimalnim odstupanjima
u što širem frekvencijskom opsegu
Radno područje mikrofona do 3 dB odstupanja za snimanje govora treba da budu dobri bar do 7-8 kHz
za snimanje muzike treba ravna u celom čujnom opsegu kvalitetni studijski imaju ravnu k-ku 30Hz-18kHz
Poželjna (ne)zavisnost
osetljivosti od frekvencije
Osetljivost zavisi od e.m.s. po frekvencijama
potrebna je ravna fr. karakteristika
e.m.s. zavisi od pomeraja ili brzine
treba da brzina ili pomeraj
ne zavise od frekvencije )( ili )(
)( ili )(
)(
v
vE
p
ET
Primeri
3. Karakteristika usmerenosti
Karakteristika usmerenosti
osetljivost iz ugla u odnosu na
osetljivost iz ugla 0
pomeramo zvučnik po krivoj liniji
a na izlazu mikrofona isti napon
Neusmereni (omnidirectional)
kružna k-ka
Dvostrano usmereni
karakteristika u obliku osmice
Usmereni (cardioid)
postoje razne „kardioide“
0
)(T
T
1)(
cos)(
2
cos1)(
Karakteristika usmerenosti u
linearnoj i logaritamskoj razmeri
Linearna razmera
Logaritamska razmera (dB)
Povećanje usmerenosti sa
porastom frekvencije (manja )
Neusmerena (kružna)
Jednosmerna (kardioida)
Dvosmerna (osmičasta)
izbor prema potrebama
Zavise od konstrukcije
Zavise i od učestanosti
pokazano kod osmičaste
slično i kod ostalih
f1
f2>f1
0o
a
90o270
o
180o
100Hz1kHz
8kHz
f2>f1
f1
Faktor usmerenosti mikrofona
Mera ponašanja mikrofona u difuznom zvučnom polju
potiskivanje reverberacije, šuma i neželjenih zvukova kod mikrofona
raste sa porastom njegove usmerenosti (direktivnosti)
Odnos akustičke energije koju prima neusmereni mikrofon i
energije koju pod istim uslovima prima usmereni mikrofon
(iste osetljivosti u smeru ose)
ova dva mikrofona u slobodnom zvučnom polju, okrenuta prema
izvoru, dala bi jednake elektromotorne sile na svojim izlazima
m
m
d
444
0
2
Još neke predstave
faktora usmerenosti
Efektivni prostorni ugao
Zamišljeni prostorni ugao
Ωm u kome bi mikrofon
trebalo da ima konstantnu
osetljivost jednaku T0,
a da mu osetljivost izvan
tog ugla bude jednaka 0
Indeks usmerenosti (u dB)
Faktor usmerenosti u dB
neusmereni mikrofon m = 1
Efikasnost mikrofona u
difuznom zvučnom polju
mera osetljivosti mikrofona na
difuzno zvučno polje i šum
pokazuje koliko dB je
manji nivo u odnosu na
neusmereni iste osetljivosti
mlog10
m
m
d
444
0
2
mREE 1
Faktor rastojanja
(Faktor distance - DF)
Koliko puta se može
povećati rastojanje
usmerenog mikrofona
od izvora
u odnosu na rastojanje
neusmerenog mikrofona
iste osetljivosti
pa da odnos direktnog
i reflektovanog zvuka
u zbirnom signalu
na njihovim izlazima
bude isti
Karakteristika Kružna Dvokružna Kardioidna Super kardioidna
Hiper kardioidna
Prijemni ugao (-3 dB)
360 90 131 115 105
(90), dB 0 - 6 - 8,6 - 12
(180), dB 0 0 - 6 - 11,7
Ugao za () = 0
- 90 180 126 110
Faktor usme-
renosti m
1 3 3 3,73 4
REE 1
0 dB 0,333
- 4,8 dB 0,333
- 4,8 dB 0,268 - 5,7
0,250 - 6 dB
DF 1 1,7 1,7 1,9 2
Poređenje karakteristika
usmerenosti mikrofona
4. Izobličenja
Postoje jer je mikrofon
nelinearni pojačavač
prvi u elektro-akust. lancu
dalje se samo pojačavaju ta
izobličenja
zato moraju biti što manja –
do 0,1 % ili 0,2 %
rastu sa pojačanjem signala
Ukupna harmonijska
izobličenja - THD
(total harmonic distortion)
mera za nelinearna
izobličenja
2
1
2
2
U
U
THD i
i
Pomeraji membrane mikrofona
(kao izvor izobličenja)
Nisu veliki ni pri velikom zvučnom pritisku
nelineranost kretnog sistema nema većeg značaja
Elektrodinamički mikrofon sa kalemom
p = 10 Pa (114 dB)
amplituda pomeraja membrane = 10 m
Elektrodinamički mikrofon sa trakom
amplituda pomeraja veća, ali
izobličenja nikada ne prelaze 1%
5. Dinamički opseg
Opseg u dB od praga šuma do nivoa dozvoljenih izobličenja (1%) daje uvid u najjači i najslabiji zvuk
koji mikrofon može da pretvori bez većih smetnji i izobličenja
Rezerva ili headroom je opseg između: nivoa zvučnog pritiska dozvoljenih izobličenja (1%) i
nivoa pri kom dolazi do klipovanja (odsecanja) vrhova signala
Potreban dinamički opseg: za govor dovoljno 40 dB
za snimanje muzike 80-90 dB
za laboratorijska merenja 140-150 dB
Granice dinamičkog opsega
Gornja granica
Maksimalni zv. pritisak
najviši nivo zvuka ispred membrane mikrofona
za koji su na njegovom izlazu ukupna harmonijska izobličenja THD < 1%
Podatak daje proizvođač pored THD < 1%
ponekad daju i za 0.5%
Obično iznad granice bola
Donja granica
Određena nivoom sopstvenog šuma
osnovni (termički šum)
K – Bolcmanova konst. (1,38 J/K)
T – temperatura u Kelvinima
R – unutrašnja otpornost
f – širina propusnog opsega
]Hz[][1064,1
4][
20 fR
fRTKVETN
Nivo termičkog šuma
Sopstveni (termički) šum na izlazu mikrofona
može se izraziti i u dB u odnosu na 1V
nivo termičkog šuma LTN u odnosu na 1V,
u opsegu od 1Hz, na otpornosti od 1
jednak –198 dB (10 log 4KT = –198 dB)
Ekvivalentni nivo šuma se izražava u dBA
kod kvalitetnih mikrofona je manji od 15 dBA
Rf
EL TNTN
log10log10198
V1log20]dB[V1/
PRIMER
Osetljivost mikrofona:
Sv = 20log(2x10-3)-94+94
=(6-60) dB = -54 dBV (u odnosu na 1V i 1 Pa)
Nivo termičkog šuma na izlazu
mikrofona u odnosu na 1V je:
L TN /1V = -198 + 10 log14970
+ 10 log200 = -133 dB
E TN = 0,223 V
Mikrofon čije su karakteristike date
ima izobličenja od 1% pri nivou
pritiska od 132 dB.
Ekvivalentni nivo šuma je
17 dBA.
Dinamički opseg ovog mikrofona je
(132-17) dB =115 dB
Mikrofon impedance
200, koji pri pritisku
od 94dB (1Pa) daje
izlazni napon od 2mV
u praznom hodu (pri
otvorenim izlaznim
krajevima).
Frekvencijski opseg
mikrofona je u opsegu
od 30Hz do 15kHz.
Kolika je osetljivost i
termički šum ovog
mikrofona?
Odnos signal šum (S/N)
Izražava relaciju između:
nominalnog nivoa zvuka (94 dB) i
A-ponderisanog ekvivalentnog
nivoa šuma mikrofona
Za mikrofon sa prethodnog slajda je:
S/N = (94 -17) dB = 77 dB
6. Impedansa mikrofona
Podatak koji nam govori:
kako se mikrofon ponaša
kao generator i
kako ga treba priključiti na
ulaz predpojačavača
Daje se za f = 1 kHz
Kreće se u širokom
opsegu vrednosti
reda - kod
elektrodinamičkih mikrofona
reda M - kod
kondenzatorskih mikrofona
Poželjne prilagođene impe-
danse mikrofona i pojačala
koriste se transformatori
za (nat)prilagođenje
preslikana ulazna
impedansa potrošača
kao imp. mikrofona
problem što reaktivni deo
zavisi od frekvencije
nadprilagođenjem uzima se
10 puta veća imp. potrošača
Prilagođenje po naponu
Važna za priključivanje na predpojačalo
potrebno prilagođenje po naponu
da bi se izvukao maksimum korisne snage signala
Niska impedansa npr. 200
moguć duži priključni kabl
Visoka impedansa npr. 50 k
potreban kratak kabl U
iZ
E pZ
EUZZ pi ,
7. Stepen iskorišćenja ()
Stepen iskorišćenja mikrofona je mali: između 0,1 i 1 %
Glavni razlozi za ovako mali stepen iskorišćenja: Deo zvučne energije koja stiže do membrane mikrofona
reflektuje se i vraća u okolni prostor.
Preostali deo pokreće membranu pretvarajući se pri tome u mehaničkim, akustičkim i električnim elementima u toplotu.
Slabo prilagođenje akustičke impedanse zvučnih talasa na mehaničku impedansu membrane.
Postupak dvostrukog pretvaranja energije, najpre akustičke u mehaničku, pa onda mehaničke u električnu.
Mikrofoni
Električna podela i principi rada
Električna podela mikrofona
Grafitni (ugljeni)
Kristalni (piezoelektični)
Elektrodinamički (sa trakom i kalemom)
Elektrostatički (kondenzatorski i elektret)
Zasniva se na fizičkim principima koji su iskorišćeni
kod pretvaranja oscilacija kretnog sistema
u električni signal na izlazu mikrofona.
Kada su relativne promene otpornosti mikrofona male (R 1) onda su
promene struje u kolu mikrofona proporcionalne promeni otpornosti R.
Promena otpornosti R srazmerna je pomeraju membrane .
Presioni (p E), radi u režimu elastičnog kočenja (f < fr).
Napon E0 = 4-12 V, otpor R0 = 10-400 constE
Ugljeni (grafitni) mikrofon
Karakteristike
ugljenog mikrofona
Prednosti
Jednostavne
konstrukcije
jeftin za proizvodnju,
robustan
Velika osetljivost T (50-100 mV/Pa)
pojačavač 30-40 dB
izlazni napon E = 500 mV
(glasan govor)
Mane
Visok nivo sopstvenog
šuma
mala dinamika
Loša frekvencijska
karakteristika
velika izobličenja
(fr = 2000 Hz)
Isključivo se koristio u telefoniji,
gde se dugo zadržao i pored značajnih nedostataka,
samo zbog velike osetljivosti, jednostavne konstrukcije i robustnosti.
0
0
R
CShE
p
ET m
Elektro-dinamički mikrofon
sa kalemom
Membrana je fiksirana za cilindar sa namotajem
provodnika − kalem
prečnik membrane kod ovih mikrofona je do par cm
daleko je masivnija membrana nego
kod kondenzatorskih mikrofona
Delovi elektrodinamičkog
mikrofona sa kalemom
Kretni sistem
Membrana
aluminijumska ili
plastična folija
Kalem (bakarna žica)
prečnik oko 50 m,
izolovana lakom
induktivnost L reda 100 H
otpornost R je n x (10-100)
Magnetni sistem
Magnet (osetljiv na EM polja) Ticonal, Alniconux, Neodimium
Polni nastavci (meko gvožđe)
Princip rada elektro-
dinamičkog mikrofona
Provodnik (kalem) se kreće (osciluje) brzinom v
u polju stalnog magneta indukcije B
indukuje se e.m.s. E, srazmerna proizvodu B, l i v
Presioni (F=pS), brzina se pretvara u e.m.s.
režim otpornog kočenja (p v E)
radni opseg npr. 200 do 8000 Hz (f oko fr) vlBE
Karakteristike dinamičkog
mikrofona sa kalemom
Osetljivost 1-5 mV/Pa
(tipično 2mV/Pa)
dovoljno za odvojen
pretpojačavač
postiže se sa
magnetnom
indukcijom B
opada pri
udaru (padu)
mikrofona
m
m
R
SlB
p
R
SplB
p
vlB
p
ET
Velika dinamika 120 dB
(mala izobličenja)
ekvivalentni nivo šuma
20 dBA
maksimalni nivo zvučnog
pritiska pri 1% izobličenja
140 dB
Frekvencijski opseg
30(60)Hz - 15(20)kHz
Elektrodinamički
mikrofon (sa trakom)
Konstrukcija
Metalna traka (npr. Al) nalazi se u magnetnom polju stalnog magneta
veoma je laka
malih dimenzija reda cm x mm x m
ima otpornost reda 0,1 do 0,2
traka je membrana i provodnik u kom se indukuje e.m.s. E
Princip rada
Gradijentni mikrofon
(F=(p1-p2)S)
brzinu pretvara u e.m.s.
režim inercijalnog kočenja
vlBE
Karakteristike dinamičkog
mikrofona sa trakom
Mala osetljivost (oko 0.5 mV/Pa)
Mala impedansa (0,1 do 0,2 )
neophodan trafo za prilagođenje
(podiže impedansu na 200 )
diže osetljivost na 3-6 mV/Pa
povećava težinu i dimenzije i poskupljuje
Frekvencijska karakteristika
ravna u opsegu od 30 Hz do 15 kHz
Manja dinamika 100 dB
ekvivalentni nivo šuma 20 dBA
maksimalni nivo zvuka 120 dB
cm
dSlB
p
cm
dSplB
p
vlB
p
ET
1:n
200
450uVT
r aka
1 u0 V
0 1,
n=45
Poređenje elektrodinamičkih
mikrofona (gde se koriste)
Mikrofon sa kalemom
Najšira primena
jeftiniji, dobre karakteristike
otporni na potrese i udare
daju visok nivo zvuka
Za snimanje drvenih i
limenih duvačkih
instrumenata
jer omekšavaju zvuk zbog
spore tranzijentne k-ke
Mikrofon sa trakom
Nisu pogodni za primenu na
otvorenom (TV, film)
osetljivi na vetar, i šum ruku,
potrese, udare
Imaju ugrađen transformator
povećava težinu i dimenzije
poskupljuje
Izvanredna tranzijentna
karaktersitika
Koriste se za ozvučavanje govora u predavaonicama i amfiteatrima,
za živa muzička izvođenja na koncertima moderne muzike.
Osobine elektro-dinamičkih
mikrofona (generalno)
Prednosti
Pasivan sistem
ne traži spoljašnje napajanje
Robustan i izdržljiv
na manje potrese i udare
Postojan na promene
atmosferskih uslova (vlage)
Može biti relativno jeftin
Može biti prilično mali
Mane
Manja osetljivost od
kondenzatorskih
Rezonantna frekvencija
slab VF odziv iznad 10 kHz
frekvencijski opseg od
40 do (max) 16000 Hz
Kristalni (piezoelektrični
ili keramički) mikrofoni
Piezo - pločica
razvlačenje
sabijanje
Kristali sa piezoele-
ktričnim svojstvima
kvarc
Sinjetova (Signette) so
jako izraženo piezo-
električno svojtvo
“Bimorf”
Keramički materijali
barijum-titanat
otporan na klimatske uticaje
Piezoelektrični mikrofon
sa membranom
Membrana savija piezopločicu
sabijanjem ili savijanjem na jednu i drugu stranu
menja se naelektisanje na krajevima
Osobine piezoelektričnih
mikrofona
Osetljivost: Kristalni sa zvučnom ćelijom: 10
mV/Pa
sa membranom: nekoliko desetina mV/Pa,
keramički: 12 do 16 dB niža
Karakteristika usmerenosti obično su presioni – kružna
Ekvivalentni nivo šuma opada sa frekvencijom
Uticaj kabla: na vrednost izlaznog
napona i
donju graničnu frekvenciju
Impedansa: kapacitivna, reda 1 nF
Izobličenja veoma mala pri nivoima
zvuka do 130 dB
Uticaj temperature i vlage menja se kapacitet sa
vlagom i temperaturom
Kondenzatorski mikrofoni
Kvalitetniji, ali skuplji od dinamičkih
Koriste audio miksere sa «fantomskim napajanjem»
Interesantni su za radio stanice i studija
(profesionalni)
Princip rada
Sastoji od dve elektrode
razdvojene vrlo uskim dielektrikom
Jedna elektroda je membrana
a druga je čvrsta ploča
Treperenjem membrane se menja kapacitivnost
menja se i napon (količina naelektrisanja)
premešta se naelektrisanje kroz provodnik struja
Promene napona (signal na izlazu) se beleže
i šalju na dalji proces u računar ili rekorder
Karakteristike
kondenzatorskog mikrofona
Presioni, pomeraj se pretvara u e.m.s. režim elastičnog kočenja (kao i ugljeni)
(može se konstruisati i kao gradijentni)
Kretanjem ploče kondenzatora (membrane) menja se kapacitivnost i količina elektriciteta
naelektrisanje se menja u ritmu zvuka
struja punjenja/pražnjenja stvara napon na otporniku
(naponski razdelnik)
b
CSE
p
ET m
0
bEE
0
Osobine kondenzatorskih
mikrofona
Prednosti
Veća osetljivost (do 10 mV/Pa) ali se ne može podići sa
trafoom za prilagođenje
postiže se velikim DC naponom E0 = 100-200 V odnos E0 /b ograničen zbog
proboja kondenzatora
Ravna frekvencijska karakteristika (20Hz-20kHz)
Veliki dinamički opseg (npr. 140 dB)
Stabilan, otporan
Mane
Skup (profesionalni)
Velika impedansa (0,5-1 M) naponski razdelnik
umesto trafoa za (nad)prilagođenje
Potrebno „fantomsko“
napajanje (za E0)
Primene kondenzatorskih
mikrofona
Profesionalna snimanja Akustička merenja
Primeri kondenzatorskih
mikrofona
Izrađuju se kao presioni
gradijentni
kombinovani
Presioni rade u režimu elasticnog kočenja imaju osetljivost do
10mV/Pa
ali se ne može podići trafoom za prilagođavanje
postiže se velikim DC naponom od 100 - 200V
Frekvencijska karakteristika
ravna
Dinamički opseg
do 140dB
Vrednos kapacitivnosti kapsule
5-100pF
Imaju veliku unutrašnju impendansu
0.5-1MΩ
Koriste naponski razdelnik
Fantomsko napajanje
Koriste audio miksere
sa tzv. «fantomskim
napajanjem»
phantom power
12-24-48Vdc
zavisno od modela
mikrofona
Rode NT2000 koristi napajanje 24V
Nojman KM84
koristi napajanje 48V
AKG C451B koristi napajanje 12V
Neumann U87
Najpopularniji za studijsko snimanje
od 1967. postaje standard za studijsko snimanje
Ima dve velike membrane
i tri načina usmerenosti
omnidirekcioni, kardioidni i osmičasti
Mogu da unesu slabljenje i do 10dB
pa mogu da se koriste za snimanje
glasnih instrumenata
Dinamički opseg im je i do 130 dB
Nojman U87
Elektret mikrofon
Dielektrik između obloga kondenzatora
elastični poliester (rešenje za veliki DC napon)
ubaci se pod velikim pritiskom na visokoj temperaturi
u radnim uslovima ostaje polarisan – 100-150 V
Eliminiše se visoki polarizacioni napon
koji je neophodan kod kondenzatorskih mikrofona
uprošćava se izrada i primena ovih mikrofona
napajanje je ipak potrebno zbog pojačavača
postavljenog odmah uz kapislu u isto kućište
može biti obezbeđeno spolja, ili putem minijaturne baterije smeštene u kućištu mikrofona
Konstrukcija elektret
mikrofona
1. Metalne elektrode (obloge kondenzatora)
2. Vazdušni procep
3. Odstojnik
4. Elektret
Naelektrisan elektret je elektrostatički ekvivalentan
izolatoru koji ima površinski raspoređeno naelektrisanje.
Osobine elektret mikrofona
Prednosti Pristupačna cena
širok opseg kvaliteta
Osetljivost 2-10 mV/Pa velika u odnosu na el.din.
Frekvencijska karakteristika široka i ravna
Karakteristika usmerenosti kružna, dvokružna,
jednosmerna
Ekvivalentni nivo šuma reda 20 dBA
Izobličenja veoma mala pri nivoima zvuka
preko 130 dB ( 1%)
Mane
Zahtevaju spoljašnje napajanje ili bateriju (predpojačavač) 9 – 52 V DC, obično
48 V DC (“fantom” napajanje)
Potreban predpojačavač konvertor impedanse u
nekoliko stotina
generisana e.m.s. skida se preko R (umesto trafa)
C0 = 100 pF na niskim audio frekvencijama daje M
Mikrofoni
Mikrofoni velike usmerenosti
Mikrofoni velike usmerenosti
Mikrofon sa talasovodom
(puška mikrofon)
Mikrofon sa talasovodom
(puška mikrofon)
Osnovu čini metalna cev (talasovod) zatvorena sa obe strane
čitavom dužinom jedne strane cev je perforirana
Zvuk iz spoljašnje sredine ulazi u unutrašnjost cevi kroz otvore
Zvučna energija prodire u cev kroz svaki od otvora
Na membrani pretvarača u unutrašnjosti cevi superponiraju se komponente zvuka koje u nju ulaze
kroz prostorno razdvojene puteve
Mikrofon sa talasovodom
(puška mikrofon)
Putanje komponenti energije mogu biti različite u zavisnosti od ugla nailaska talasa na cev
Kada zvučni talas nailazi u osi cevi sve komponente međusobno su u fazi
prelaze isti put
sabiraju se na membrani i
odziv je maksimalan
Kada talas nailazi pod uglom u odnosu na osu cevi javljaju se fazne razlike
najveće fazne razlike (poništavanja) za slučaj kada zvuk nailazi pod uglom od 180o u odnosu na osu
Mikrofon sa talasovodom
(puška mikrofon)
Usmerenost zavisi od odnosa dužine cevi l i talasne dužine λ (l/λ)
usmerenost se povećava sa frekvencijom
sistemi sa dužom cevi imaju veću usmerenost
i obratno
Za snimanje sa većih distanci
razgovor na ulici
pozorište (kada su mikrofoni u prvom redu publike)
snimanje dijaloga na filmu...
Mikrofon sa paraboličnim
reflektorom
Reflektor ima funkciju samo na frekvencijama na
kojima je talasna dužina dovoljno mala u odnosu
na njegov prečnik
na najnižim čujnim frekvencijama (za velike talasne
dužine) sistem ne postiže usmerenost
Danas retko u ponudi proizvođača
velika površina reflektora uzrokuje pojavu sile koju
stvara vetar
poželjno da bude od masivnog materijala da bi se
zvuk od njega reflektovao, a ne prolazio kroz njega
Mikrofon sa paraboličnim
reflektorom
Mikrofon sa paraboličnim
reflektorom
Višecevni mikrofon
Pri kosom upadu zvuka u odnosu na osu
postoji fazna razlika između komponenti koje
pristižu do membrane kroz pojedine cevi
usled toga se pritisci pojedinih talasa u velikoj
meri poništavaju
Višecevni mikrofon
Koristite se samo u mirnom okruženju
(bez vetra)
strujanje vazduha ispred otvora cevi
izaziva tonove na
rezonantnim frekvencijama
koji onemogućavaju
korišćenje mikrofona
Mikrofoni
Mikrofonski nizovi
Mikrofonski nizovi
Sistem rada sličan sistemima sa talasovodom
Usmerenost se ostvaruje superponiranjem više
komponenti koje su u fazi kada zvučni talas iz
udaljenog izvora nailazi u osi sistema, a fazno se
razlikuju kada talas nailazi iz pravca van ose
superponiranje se ostvaruje u električnom domenu sa
mikrofonskim signalima na kolu za sabiranje
Razlika je u tome što se kod mikrofonskog niza
više komponenti signala dobija
postavljanjem većeg broja mikrofona u nizu
Mikrofonski nizovi
Moguća promena pravca maksimalne
osetljivosti (ose sistema) uvođenjem
selektivnog kašnjenja mikrofonskih signala
cilj je da se postigne poklapanje faza kada zvuk
nailazi iz željenog pravca
na taj način se uvodi mogućnost da sistem radi sa
promenljivom usmerenošću, pri čemu se ta
promena realizuje elektronskim putem
Najčešća primena za konferencijske sisteme
Primeri mikrofonskih nizova
Mikrofonski linearni niz
Linearni niz 4 elementa
predviđen da bude na gor-
njoj strani maske monitora
radi u opsegu ±50 stepeni
pokriva jednu kancelariju
dužine je oko 20cm
Mikrofonski kružni niz
Kružni niz se stavlja na
sredinu stola
npr. u konferencijskoj sali
radi u opsegu 360 stepeni
služi za snimanje sastanaka
pežnik je oko 16cm
Mikrofoni
Izbor, postavke i primena
Postavljanje mikrofona
Pri snimanju
Poželjna i reverberacija
(može se i dodati)
da bi se snimio i
originalni akustički
ambijent
Pri ozvučavanju
Potreban samo direktan
zvuk
mikrofon postaviti
što bliže prirodnom
izvoru zvuka
treba izbeći
mikrofoniju
Mikrofonija
Ispoljava se jakim i neprijatnim “zviždanjem”
Mikrofonija nastaje kada u mikrofon stiže jači
zvuk iz zvučnika nego iz izvora koji ga stvara
akustička povratna sprega na nekoj frekvenciji
mikrofon – pojačavač – zvučnik – prostor
izbeći da se gledaju membrane
mikrofona i zvučnika
češća kod manjih
prostorija sa
većim TR60
Mikrofoni
Snimanje govora
Postavljanje mikrofona
- pri snimanju govora
Govor – za RTV, film, razglas, pozorište
uvek je najvažnija razumljivost
Snimatelj se na probi prilagodi govorniku (15-20 s)
zanima nas zvučna snaga, boja i dinamika
profesionalci su izabrani bez govornih mana
Govornik se smešta u ambijent
podesi mu se položaj mikrofona
Postavljanje mikrofona
- pri snimanju govora
Čitanje:
Neće praviti neočekivane izlete iz ose mikrofona
Koristiti usmeren mikrofon super- ili
hiper-kardioid
izbegava se
reflektovani zvuk i
buka
Slobodna interpretacija:
Okreće glavu
Gestikulira
Koristiti manje usmeren
mikrofon
kardioid
Bitna visina i ugao ka govorniku
Problemi u snimanju govora
Prenaglašenost sibilanata (piskavih glasova)
rešava se zakreta-njem mikrofona za 20-tak stepeni
jer je mikrofon najosetljiviji na VF u pravcu ose
Kod praskavaca (ploziva)
problem je jak vazdušni udar
rešava se udaljava- njem mikrofona
osa ostaje u pravcu usta
Oba problema može da reši i specijalni štitnik (windschutz, windscreen)
Problemi u snimanju govora
Eventualni mali gubitak u nivou signala
lako se pojača
Problemi se rešavaju postavkom mikrofona
a tek potom filtrima
Kod više govornika
retko 1 mikrofon rešava više od 3-4 govornika
prvo se postavlja najkritičniji
npr. ženski glas bliže, ali van ose
za više govornika bolja je osmičasta karakteristika usmerenosti
Snimanje govora sa više
mikrofona
Prednosti
Veći komfor za izvođače
Lako balansiranje glasovne ravnoteže
Grupisanje izvođača sa govornim manama
Slobodnije korišćenje filtara, bojenja, i sl.
Problemi
Otežana operativnost za snimatelja
mora da prati tekst
u slušalicama nema binauralnu lokalizaciju
replike prati odsečna regulacija
Povećan nivo šuma i reverberacije
ne trebaju svi odjednom
preklapanje signala
Mikrofoni
Snimanje muzike
Opšta pravila za dobar zvuk
Dobar muzičar
Povoljna akustika ambijenta
Prikladan mikrofon
Povoljna pozicija mikrofona
Na kvalitet zvuka najviše možemo da utičemo
pravilnim izborom i pozicioniranjem mikrofona
Ako imamo u postavci više izvora zvuka
Cilj je dobijanje dobre i ujednačene zvučne slike
sa panoramom učesnika na sceni
Snimanje muzike
Da li je dovoljan 1 mikrofon da snimi orkestar?
Ako ga postavimo na optimalno mesto u publici?
mikrofon skupi više reverberacije i smetnji nego čovek
Čovek može da se koncentriše na željeni zvuk
čuje odnos direktni/reverberantni zvuk bolje od objektivnog
Ako mikrofon približimo
nekom izvoru zvuka
dalji izvori se
lošije snime
Snimanje
muzike
Rešenje:
Pojedine grupe izvora dobijaju svoj mikrofon
snimatelj balansira nivoe i sklapa celinu (bolje nego uživo!)
izbegavati akustičko preslušavanje (muti zbirni signal)
mikrofoni protivreče jedan drugom kao očevici iz više uglova
Koristi se i jedan glavni mikrofon za ceo orkestar
bliski mikrofoni služe samo za pojačanje direktnog zvuka
bez glavnog svi izvori izgledaju blizu (nedostaje reverberacija)
Ozvučavanje instrumenata
- žičani instrumenti
Gitare akustične
klasične
električne
bas
Gudački instrumenti violina
viola
violončelo
kontrabas
Žica
učvršćena između
dva kraja
vibrira u polju
rezonantne kutije
(magneta u slučaju
električne gitare)
Ozvučavanje instrumenata
- Bas gitara
Najčešće se spaja direktno u miksetu
da se ne oslabi zvuk basa u dužem kablu
dobija se čistiji zvuk
eliminišu se ambijent i smetnje
koristi se direct box (DI box)
od njega do miksete može duži kabel
nebalansirane izore signala pretvara u
balansirane signale pogodne za miksetu
prilagođava izlaznu impedansu instrumenta (reda MΩ)
ulaznoj impedansi miksete (reda desetina Ω)
Balansirani ulaz
Ozvučavanje instrumenata
- Akustična gitara
Često dolaze sa ugrađenom elektronikom
spajaju se direktno
U suprotnom, postoji više položaja mikrofona
u praktičnoj upotrebi
pozicije: A, B, C i D
Ozvučavanje instrumenata
- Akustična gitara
Pozicija A: standardna stereo metoda
pogodno ako se želi dočarati prostornost, ambijent
Pozicija B: mikrofon na oko 15 cm od gitare, usmeren
prema spoju zvučne rupe i vrata gitare
više ka rupi – „mutnija“ i toplija slika,
više ka vratu – viši tonovi i zvuk koji se proizvodi prstima
Pozicija C: usmeren prema mostu, udaljenost oko 10 cm
tvrđi zvuk sa nedostatkom niskih i srednje niskih frekvencija
Pozicija D: zamena za poziciju C
gornji mikrofon hvata refleksije od tela gitare
donji hvata zvuk rezonantne kutije i ambijenta
Ozvučavanje instrumenata
- Električna gitara
Žica vibrira u polju magneta
Lako se priključuje direktno u miksetu
mikrofon se obično postavi ispred pojačala
signal iz pojačala već prošao kroz različite filtere
dinamički, kardioidni mikrofoni
SHURE SM 58
SHURE SM 57
Ozvučavanje instrumenata
- Električna gitara
Blizu pojačala
jasniji zvuk bez
osećaja prostora
Udaljavanjem
zvuk postaje „mutniji“
U centar membrane
visoke frekvencije,
oštar zvuk
Ka rubu membrane
niže frekvencije
topliji zvuk
Ozvučavanje instrumenata
- Gudački instrumenti
Violina, viola, violončelo, kontrabas
često su sa ugrađenom elektronikom
za direktno spajanje
Slično ozvučavanju akustičnih
i klasičnih gitara
ima razlika zavisno od instrumenta
ako je mikrofon preblizu izvoru zvuka
na razglasu se mogu čuti
neželjeni zvukovi
npr. grebanje gudala od žice
Ozvučavanje instrumenata
- Klavir
Pozicija A: stereo slika
par mikrofona na 15 cm od čekića,
jedan za niže, drugi za više tonove
Pozicija B: dalje od čekića,
naglašava dublje tonove
daje manje oštar stereo zvuk
Pozicija C: ukoliko postoje
otvori za zvuk
dobra separacija od ostalih
zvukova koji dopiru do mikrofona
Pozicija D: ravnomerno hvata
zvuk, često A + D
Ozvučavanje instrumenata
- Limeni duvački
Truba, saksofon, tuba, trombon, rog
Izvor zvuka na zvonolikom proširenju na kraju instrumenta
Mikrofon centralno ispred zvona oštar i svetao zvuk
Mikrofon blago ukoso (na oko 15-30 cm) mekši ton
Muzičari se (ponekad) kreću što je nepovoljno, zbog promena u dinamici
kompromisno rešenje je postavljanje mikrofona iznad izvora, usmerenog direktno ka izvoru
Ozvučavanje instrumenata
- Drveni duvački
Klarinet, oboa, flauta, fagot
Izvor zvuka
rupe koje se nalaze po telu instrumenta
Mikrofon se postavlja blizu rupa
kod flaute između usnika i prvih rupa za prste
ponekad moramo da potisnemo određene
frekvencije (10-12 kHz) zbog disanja muzičara
Ozvučavanje instrumenata
- Udaraljke
Bas, doboš, prelazni (tom) bubnjevi, činele
Mikrofon uz obruč gornje membrane tako da
cilja kroz prostornu dijagonalu bubnja
ako se mikrofon nalazi na
jednoj strani gornje membrane,
zamišljeni pravac koji prolazi
kroz mikrofon izlazi na dijametralno
suprotnoj strani donje membrane
potreban ujednačen odnos
instrumenata na bini
Ozvučavanje instrumenata
- Udaraljke
U centru konstrukcije
bas bubanj, desno
doboš, od centra na
levo tom bubnjevi
U zvučnoj slici bas i doboš
u jednoj, centralnoj liniji
(doživljaj ritma), tom
bubnjevi u liniji s leva na
desno, jedan set činela s
desne, drugi s leve strane
Ozvučavanje instrumenata
- Udaraljke: Bas bubanj
Daje „osnovni udar“ u
ritmu muzike
Postavka 1 mikrofona
najčešće unutar bubnja
ukoliko je prednja
membrana zatvorena,
mikrofon se postavlja
ispred nje
Mikrofoni koji mogu
da podnesu i preko
160 dB bez izobličenja
Postavka 2 mikrofona
fazno pomerena
za 1800
AKG D112 „jaje“
SENNHEISER e602
Ozvučavanje instrumenata
- Udaraljke: Doboš bubanj
Na donjoj membrani metalna mrežica daje karakterističan zvuk: visok, praskav
Dva mikrofona, jedan iznad gornje membrane, drugi ispod donje donji mikrofon naglašava osobiti „zvuk mrežice“
nadopuna glavnom gornjem mikrofonu
U studiju – dodatni mikrofon iznad obruča
Pogodni mikrofoni AKG D112 („jaje“) i Sennheiser e602
često se koristi i Shure SM 57 pretežno zbog niske cene
SHURE SM 57
Ozvučavanje instrumenata
- Udaraljke: Tom bubanj
Prelazni (tom) bubnjevi
Problematični (zbog neugodne zvonjave)
slična pravila kao kod bas bubnja
ako nema donje membrane
jedan mikrofon u unutrašnjosti bubnja
Najčešće dva mikrofona
pomerenih faza za 1800
SENNHEISER e604
Ozvučavanje instrumenata
- Udaraljke: Činele
Tiše u odnosu na bubnjeve
proizvode visoke frekvencije (koje se apsorbuju)
Dva kondenzatorska mikrofona
30 cm iznad činela
Treba probati
mikrofon bliže sredini
zvonkiji i topliji zvuk
mikrofon bliže rubu
piskutav, viši i tanji zvuk
AKG C451 NEUMANN KM 184
Ozvučavanje vokala
Različiti načini ozvučavanja ne postoji ustaljena praksa
niti preporučen metod
Za snimanje u studiju može se koristiti dobar kondenzatorski mikrofon za izvođenje uživo on nije dovoljno robustan
niti otporan na vlagu, prašinu, udarce...
tu je bolji kardioidni elektrodinamički mikrofon
Po pravilu se koristi zaštitni sunđer smanjuje uticaj praskavih glasova
NEUMANN U48
Vocal (singing) Frequency f0
Bass 82 – 330 Hz
Baritone 98 – 392 Hz
Tenor 124 – 494 Hz
Alto 175 – 699 Hz
Mezzo-soprano 220 – 880 Hz
Soprano 262 – 1047 Hz
Mikrofoni
Prof. dr Vlado Delić
Fakultet tehničkih nauka Novi Sad
VTŠSS Novi Sad
Akademija umetnosti Beograd